KR101840246B1 - 슬라이딩 부품, 슬라이딩 부품의 제조 방법 및 슬라이딩 부품의 제조 장치 - Google Patents

슬라이딩 부품, 슬라이딩 부품의 제조 방법 및 슬라이딩 부품의 제조 장치 Download PDF

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Abstract

슬라이딩 부품인 피스톤 슈(1)는, 강으로 이루어지는 베이스부(2)와, 슬라이딩 면(31)이 형성되고, 구리 합금으로 이루어지고, 베이스부(2)에 접합된 슬라이딩부(3)를 구비한다. 그리고, 베이스부(2)에, 슬라이딩부(3)에 접합되는 면인 베이스부 접합면(23)을 포함하도록, 베이스부(2)의 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역(24)이 형성되면서, 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)가 접합되어 있다.

Description

슬라이딩 부품, 슬라이딩 부품의 제조 방법 및 슬라이딩 부품의 제조 장치{SLIDING COMPONENT, METHOD FOR PRODUCING SLIDING COMPONENT, AND DEVICE FOR PRODUCING SLIDING COMPONENT}
본 발명은 슬라이딩 부품(sliding component), 슬라이딩 부품의 제조 방법 및 슬라이딩 부품의 제조 장치에 관한 것이며, 보다 특정적으로는, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩부와, 슬라이딩부에 접합된 강(鋼) 또는 주철(鑄鐵)로 이루어지는 베이스부(base section)를 구비한 슬라이딩 부품, 슬라이딩 부품의 제조 방법 및 슬라이딩 부품의 제조 장치에 관한 것이다.
다른 부품에 대하여 슬라이딩하는 슬라이딩 부품으로서, 슬라이딩 면이 형성된 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩부를, 강 또는 주철로 이루어지는 베이스부에 고정시킨 구조를 가지는 것이 사용되는 경우가 있다. 예를 들면, 유압(油壓) 펌프나 유압 모터의 피스톤 슈(piston shoe)로서, 강으로 이루어지는 베이스부에, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩부를 고정시킨 것이 알려져 있다. 그리고, 이 종류의 피스톤 슈에서는, 슬라이딩부를 베이스부에 대하여 코킹(caulking) 고정시킨 것이 사용되는 경우가 있다.
그러나, 슬라이딩부를 베이스부에 대하여 코킹 고정시키기 위해서는, 슬라이딩부를 베이스부에 장착하기 전에, 슬라이딩부를 미리 코킹 고정 가능한 형상으로 가공해 둘 필요가 있다. 그러므로, 슬라이딩부의 가공 비용에 기인하여 슬라이딩 부품의 제조 비용이 높아지는 문제가 있다. 이에 대하여, 슬라이딩부를 베이스부에 가압하여 변형시켜, 슬라이딩부를 베이스부에 걸어맞춤으로써, 슬라이딩부를 베이스부에 고정시킨 피스톤 슈가 제안되어 있다[예를 들면, 일본 공개특허 평10―89241호 공보(특허 문헌 1) 참조].
일본 공개특허 평10―89241호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1에 기재된 피스톤 슈의 구조에서는, 슬라이딩부는 베이스부에 대하여 걸어맞추어져 고정되어 있는 것에 지나지 않는다. 그러므로, 예를 들면, 피스톤 슈에 충격이 가해진 경우, 슬라이딩부의 베이스부에 대한 고정 상태가 불안정해질 우려가 있다.
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은, 슬라이딩부가 베이스부에 대하여 안정적으로 고정된 슬라이딩 부품을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 슬라이딩 부품은, 슬라이딩 면을 가지는 슬라이딩 부품이다. 이 슬라이딩 부품은, 강 또는 주철로 이루어지는 베이스부와, 슬라이딩 면이 형성되고, 구리 합금으로 이루어지고, 베이스부에 접합된 슬라이딩부를 구비하고 있다. 그리고, 베이스부에, 슬라이딩부에 접합되는 면인 베이스부 접합면을 포함하도록, 베이스부의 다른 영역에 비해 결정(結晶) 입자가 작은 베이스부 접합 영역이 형성되면서, 베이스부와 슬라이딩부가 접합되어 있다.
본 발명의 슬라이딩 부품에서는, 베이스부와 슬라이딩부가 접합되는 동시에, 베이스부 접합면을 포함하도록, 베이스부의 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역이 형성되어 있다. 즉, 본 발명의 슬라이딩 부품은, 결정 입자가 작은 것에 의해 인성(靭性)이 우수한 베이스부 접합 영역과 슬라이딩부가 접합된 구조를 가진다. 그 결과, 예를 들면, 슬라이딩 부품에 충격이 가해진 경우라도, 슬라이딩부가 베이스부에 대하여 안정적으로 고정된다. 이와 같이, 본 발명의 슬라이딩 부품에 의하면, 슬라이딩부가 베이스부에 대하여 안정적으로 고정된 슬라이딩 부품을 제공할 수 있다.
상기 슬라이딩 부품에 있어서는, 베이스부 접합 영역의, 베이스부 접합면에 수직인 방향에서의 두께는, 슬라이딩 부품의 내부와 비교하여 표면을 포함하는 영역에 있어서 커져 있어도 된다. 이와 같이 함으로써, 접합면 근방에 있어서, 균열의 기점(起点)으로 될 가능성이 있는 베이스부의 표층 영역에, 높은 인성을 더욱 확실하게 부여할 수 있다.
상기 슬라이딩 부품에 있어서는, 슬라이딩부에는, 베이스부에 접합되는 면인 슬라이딩부 접합면을 포함하도록, 슬라이딩부의 다른 영역에 비해 경도(硬度)가 낮은 슬라이딩부 접합 영역이 형성되어 있어도 된다. 이로써, 슬라이딩부와 베이스부와의 접합부에서의 변형을 완화할 수 있다.
상기 슬라이딩 부품에 있어서는, 슬라이딩부 접합 영역의, 슬라이딩부 접합면에 수직인 방향에서의 두께는 0.2㎜ 이하라도 된다. 이와 같이, 슬라이딩부 접합 영역의 두께를 필요 이상으로 크게 하지 않는 것에 의해, 슬라이딩부에 충분한 강도를 부여할 수 있다.
상기 슬라이딩 부품에 있어서, 상기 구리 합금은 고력 황동(high-strength brass)이라도 된다. 고력 황동은, 높은 강도와 우수한 슬라이딩 특성을 겸비하는 재료이며, 슬라이딩부를 구성하는 재료로서 바람직하다.
상기 슬라이딩 부품에 있어서는, 상기 슬라이딩부를 구성하는 고력 황동은, 매트릭스에 비해 높은 경도를 가지는 석출물(析出物)을 포함하고, 슬라이딩부 접합 영역 내의 석출물의 크기는, 슬라이딩부의 다른 영역의 석출물의 크기와 비교하여 작아져 있어도 된다. 이와 같이 함으로써, 접합부 근방의 슬라이딩부의 인성을 향상시킬 수 있다.
상기 슬라이딩 부품에 있어서는, 슬라이딩부 접합 영역 내의 슬라이딩부 접합면에 접하는 영역에, 상기 석출물이 집합된 석출물 집합부가 형성되어 있어도 된다. 슬라이딩부 접합면 근방에 미세한 석출물의 집합부를 형성함으로써, 인성을 대폭 저하시키지 않고, 슬라이딩부 접합면 근방의 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 슬라이딩 부품에 있어서는, 상기 슬라이딩부 접합 영역은, 슬라이딩부의 다른 영역에 비해 α상(相)의 비율이 많게 되어 있어도 된다. 이와 같이 함으로써, 접합부 근방의 슬라이딩부의 인성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 슬라이딩 부품의 제조 방법은, 강 또는 주철로 이루어지는 베이스 부재와 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩 부재를 준비하는 단계와, 베이스 부재를, 슬라이딩 부재에 접촉시키면서 상대적으로 미끄러지게 함으로써 마찰열을 발생시켜, 베이스 부재에 있어서 슬라이딩 부재에 접촉하는 면인 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점(變態点) 이상의 온도로 가열하는 단계와, 가열된 베이스 부재와 슬라이딩 부재를 접촉시킨 상태로 유지함으로써 상기 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점 미만의 온도로 냉각시켜, 베이스 부재와 슬라이딩 부재를 접합하는 단계를 포함하고 있다.
본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 방법에서는, 베이스 부재를, 슬라이딩 부재에 접촉시키면서 상대적으로 미끄러지게 함으로써 마찰열을 발생시켜, 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점 이상의 온도로 가열한다. 그 후, 베이스 부재와 슬라이딩 부재를 접촉시킨 상태로 유지하여 냉각함으로써, 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역의 결정 입자가 미세화되면서 베이스 부재와 슬라이딩 부재가 접합된다. 이와 같이 함으로써, 슬라이딩부가 베이스부에 대하여 안정적으로 고정된 상기 본 발명의 슬라이딩 부품을 용이하게 제조할 수 있다.
상기 슬라이딩 부품의 제조 방법에 있어서, 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점 이상의 온도로 가열하는 단계에서는, 베이스 부재가, 슬라이딩 부재에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고, 슬라이딩 부재에 대하여 가압되면서 상대적으로 회전해도 된다.
이와 같이 함으로써, 슬라이딩 부재와 베이스 부재와의 위치 관계를 변경시키지 않고 마찰열을 발생시킬 수 있으므로, 슬라이딩 부재와 베이스 부재를 원하는 위치 관계로 접합하는 것이 용이해진다.
상기 슬라이딩 부품의 제조 방법에 있어서, 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점 이상의 온도로 가열하는 단계, 및 베이스 부재와 슬라이딩 부재를 접합하는 단계에서는, 슬라이딩 부재에 있어서 베이스 부재에 접촉하는 면인 슬라이딩 부재 접촉면의 외주측에 있어서 슬라이딩 부재가 구속(restrain)되어도 된다.
이와 같이 함으로써, 연화(軟化)된 슬라이딩 부재의 변형량이 억제된다. 그 결과, 접합 후의 기계 가공에서의 가공량이 저감되어, 슬라이딩 부재의 재료의 수율이 향상된다. 또한, 슬라이딩 부재의 두께가 작을 경우라도, 슬라이딩 부재에 있어서 소성(塑性) 변형된 영역이 슬라이딩 부품의 슬라이딩 면에 노출되는 것이 억제되어, 슬라이딩 부품의 슬라이딩 특성이 안정된다.
상기 슬라이딩 부품의 제조 방법에 있어서, 상기 구리 합금은 고력 황동이라도 된다. 고력 황동은, 높은 강도와 우수한 슬라이딩 특성을 겸비하는 재료이므로, 슬라이딩 부재를 구성하는 재료로서 바람직하다.
상기 슬라이딩 부품의 제조 방법은, 베이스 부재와 슬라이딩 부재가 접합된 상태에서, 슬라이딩 부재를 가열함으로써, 슬라이딩 부재의 슬라이딩 부재 접촉면에 접하는 슬라이딩 부재 내의 영역에 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많은 영역을 형성하는 단계를 더 포함하고 있어도 된다. 이로써, 접합부 근방의 인성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 슬라이딩 부품의 제조 장치는, 강 또는 주철로 이루어지는 베이스 부재와, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩 부재를 접합함으로써 슬라이딩 부품을 제조하는 슬라이딩 부품의 제조 장치이다. 이 슬라이딩 부품의 제조 장치는, 축 주위로 회전 가능한 주축(主軸)과, 주축에 대하여 축 방향으로 간격을 두고 배치된 기대부(基臺部)와, 주축과 기대부와의 간격을 조정하는 간격 조정부를 구비하고 있다. 주축에는, 기대부에 대향하도록 베이스 부재 또는 슬라이딩 부재의 한쪽을 유지하는 제1 유지부가 설치되어 있다. 기대부에는, 제1 유지부에 대향하도록 베이스 부재 또는 슬라이딩 부재의 다른 쪽을 유지하는 제2 유지부가 설치되어 있다. 그리고, 간격 조정부에 의해 주축과 기대부와의 간격을 조정하여 베이스 부재와 슬라이딩 부재를 접촉시킨 상태에 있어서, 슬라이딩 부재를 유지하는 제1 유지부 또는 제2 유지부가, 슬라이딩 부재의 베이스 부재에 접촉하는 면인 슬라이딩 부재 접촉면의 외주(外周)를 에워싸도록, 제1 유지 부재 및 제2 유지 부재가 배치되어 있다.
본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 장치를 사용하여 상기 슬라이딩 부품의 제조 방법을 행함으로써, 본 발명의 슬라이딩 부품을 용이하게 제조할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제1 유지부 및 제2 유지부의 한쪽에 베이스 부재를, 다른 쪽에 슬라이딩 부재를 유지한 상태로 주축을 축 주위로 회전시키면서, 간격 조정부에 의해 주축과 기대부와의 간격을 조정하여 베이스 부재를 슬라이딩 부재에 대하여 가압함으로써, 베이스 부재 및 슬라이딩 부재를 가열한다. 그 후, 베이스 부재와 슬라이딩 부재가 접촉된 상태로 냉각함으로써, 베이스 부재와 슬라이딩 부재가 접합된다.
여기서, 본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 장치에서는, 베이스 부재와 슬라이딩 부재가 접촉된 상태에 있어서, 슬라이딩 부재 접촉면의 외주가 제1 유지부 또는 제2 유지부에 의해 에워싸여진다. 그러므로, 베이스 부재와 슬라이딩 부재를 접합할 때, 연화된 슬라이딩 부재가 외주측에 있어서 구속된다. 그 결과, 연화된 슬라이딩 부재의 변형량이 억제되어, 접합 후의 기계 가공에서의 가공량이 저감되므로, 슬라이딩 부재의 재료의 수율이 향상된다. 또한, 슬라이딩 부재의 두께가 작을 경우라도, 슬라이딩 부재에 있어서 소성 변형된 영역이 슬라이딩 부품의 슬라이딩 면에 노출되는 것이 억제되고, 슬라이딩 부품의 슬라이딩 특성이 안정된다. 이와 같이, 본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 장치에 따르면, 슬라이딩 부재의 재료의 수율의 향상 및 슬라이딩 부품의 슬라이딩 특성의 안정을 달성하면서, 본 발명의 슬라이딩 부품을 제조할 수 있다.
상기 슬라이딩 부품의 제조 방법에 있어서, 주축 및 기대부 중 적어도 어느 한쪽에는, 베이스 부재와 슬라이딩 부재와의 접촉 하중을 검지하는 하중 센서가 설치되어 있어도 된다. 이로써, 베이스 부재와 슬라이딩 부재와의 접촉 하중을 적절한 범위로 조정하는 것이 용이해진다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 슬라이딩 부품 및 슬라이딩 부품의 제조 방법에 의하면, 슬라이딩부가 베이스부에 대하여 안정적으로 고정된 슬라이딩 부품을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 장치에 따르면, 본 발명의 슬라이딩 부품을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 피스톤 슈의 구조를 나타낸 개략 단면도(斷面圖)이다.
도 2는 도 1의 영역 II를 확대하여 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 피스톤 슈의 제조 방법의 개략을 나타낸 플로우차트이다.
도 4는 피스톤 슈의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 5는 피스톤 슈의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다.
도 6은 구속 지그(restraint jig)의 구조를 나타낸 개략 평면도이다.
도 7은 폐색(閉塞) 마찰 접합 단계에서의 주축의 회전수, 가압 하중(pressing load) 및 접합부의 온도의 시간 경과적 변화를 나타낸 도면이다.
도 8은 고력 황동와 강과의 접합부 부근의 금속 조직(組織)을 나타낸 사진이다.
도 9는 도 8의 영역 A-1∼A-4, B-1∼B4, C-1∼C4 및 D-1∼D4를 확대하여 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 10은 시험편 내의 경도 분포를 나타낸 도면이다.
도 11은 접합면 근방의 구리 합금의 경도 분포를 나타낸 도면이다.
도 12는 구리 합금의 조직을 설명하기 위한 광학 현미경 사진이다.
도 13은 도 8의 영역 A-1∼2, B-1∼B2, C-1∼C2 및 D-1∼D2를 확대하여 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 14는 피스톤 슈의 슬라이딩부 내에서의 석출물의 분포 상태를 나타낸 모식도이다.
도 15는 전단(剪斷) 강도 시험의 시험 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다.
도 16은 전단 강도 시험의 시험 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명한다. 그리고, 이하의 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 부여하고, 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태인 슬라이딩 부품으로서의 피스톤 슈의 구조를 나타낸 개략 단면도이다. 도 1을 참조하여, 피스톤 슈(1)는, 유압 펌프나 유압 모터의 피스톤 본체(도시하지 않음)에 접속되고, 경사판에 대하여 슬라이딩하는 부품이다. 피스톤 슈(1)는, 강으로 이루어지는 베이스부(2)와, 슬라이딩 면(31)이 형성되고, 구리 합금으로 이루어지고, 베이스부(2)에 접합된 슬라이딩부(3)를 구비하고 있다. 베이스부(2)를 구성하는 강으로서는, 예를 들면, 조질(調質; thermal refining) 처리, 즉 담금질(quenching) 처리 및 템퍼링(tempering) 처리된 JIS 규격 SCM440 등의 기계 구조용 합금강 또는 기계 구조용 탄소강을 채용할 수 있다. 베이스부(2)는, 구형상(球形狀)을 가지고, 피스톤 본체에 요동 가능하게 접속될 구형부(21)와, 구형부(21)에 접속되고, 단차(step)가 형성된 원반(圓盤) 형상을 가지는 원반부(22)를 포함하고 있다.
구형부(21)는, 피스톤 본체에 형성된 구면형의 내벽을 가지는 유지부(도시하지 않음)에, 요동 가능하게 유지된다. 또한, 구형부(21)의, 원반부(22)에 접속되는 측과는 반대측의 단부(端部)에는, 평면 형상의 평탄부(21A)가 형성되어 있다. 한편, 원반부(22)의, 구형부(21)와는 반대측의 단부에는, 평면 형상의 베이스부 접합면(23)이 형성되어 있다.
그리고, 베이스부 접합면(23)에는, 원반부(22)보다 두께가 작은 원반 형상을 가지는 슬라이딩부(3)가 접합되어 있다. 슬라이딩부(3)는, 한쪽의 주표면인 슬라이딩부 접합면(32)에 있어서 원반부(22)의 베이스부 접합면(23)에 접합되어 있다. 또한, 슬라이딩부(3)의 다른 쪽의 주표면은, 슬라이딩 면(31)으로 되어 있다. 이 슬라이딩 면(31)은, 예를 들면, 유압 펌프의 경사판(도시하지 않음)에 대하여 슬라이딩한다. 슬라이딩부(3)가 슬라이딩 특성이 우수한 구리 합금으로 되어 있는 것에 의해, 경사판과 피스톤 슈(1)와의 마찰력이 억제된다. 슬라이딩부(3)를 구성하는 구리 합금으로서는, 고력 황동 등의 황동 외에, 알루미늄 청동 등의 청동을 채용하는 것이 가능하지만, 본 실시형태에서는 슬라이딩부(3)는 고력 황동으로 되어 있다. 또한, 슬라이딩 면(31)에는, 동심원형(同心圓形)으로 형성된 원환형(圓環形)의 복수의 홈(31A)이 형성되어 있다. 이들 홈(31A)에 오일이 적당량 유지되는 것에 의해, 경사판과 피스톤 슈(1)와의 마찰력이 한층 억제된다.
피스톤 슈(1)는, 중심축(A)에 대하여 대칭인 형상을 가지고 있다. 그리고, 피스톤 슈(1)에는, 중심축(A)을 포함하는 영역에, 구형부(21)의 평탄부(21A)로부터 슬라이딩부(3)의 슬라이딩 면(31)에 이르도록 피스톤 슈(1)를 관통하는 직선형의 센터홀(29)이 형성되어 있다. 센터홀(29)은, 제1 영역(29A)과, 제2 영역(29B)과, 제3 영역(29C)과, 제4 영역(29D)을 포함하고 있다. 제1 영역(29A)은, 평탄부(21A)로부터 슬라이딩 면(31)을 향해 연장된다. 제2 영역(29B)은, 제1 영역(29A)에 접속되어 있고, 제1 영역(29A)보다 길이 방향(축A 방향)과 수직인 단면(斷面)에서의 단면적(斷面績)이 작다. 제3 영역(29C)은, 제2 영역(29B)에 접속되어 있고, 슬라이딩 면(31)에 가까와짐에 따라 축 방향으로 수직인 단면의 단면적이 크게 되어 있다. 제4 영역은, 제3 영역(29C)에 접속되고, 축 방향으로 수직인 단면의 단면적이 제3 영역(29C)보다 크다.
다음에, 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)와의 접합부 부근의 구조에 대하여 설명한다. 도 2는, 도 1의 영역 II를 확대하여 나타내는 개략 단면도이다. 도 2를 참조하여, 베이스부(2)에, 베이스부 접합면(23)을 포함하도록, 베이스부(2)의 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역(24)이 형성되면서, 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)가 직접 접합되어 있다.
본 실시형태의 피스톤 슈(1)에서는, 베이스부(2)의 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역(24)이 형성된 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)가 직접 접합되어 있다. 즉, 피스톤 슈(1)는, 결정 입자가 작은 것에 의해 인성이 우수한 베이스부 접합 영역(24)과 슬라이딩부(3)가 직접 접합된 구조를 가지고 있다. 그러므로, 슬라이딩부(3)가 베이스부(2)에 대하여 안정적으로 고정되어 있다. 이와 같이, 피스톤 슈(1)는, 슬라이딩부(3)가 베이스부(2)에 대하여 안정적으로 고정된 슬라이딩 부품이다.
여기서, 도 2를 참조하여, 피스톤 슈(1)의 표면(1A)을 포함하는 영역에서의 베이스부 접합 영역(24)의 두께(t2)는, 내부에서의 베이스부 접합 영역(24)의 두께(t1)에 비해 커져 있어도 된다. 이로써, 접합면 근방에 있어서, 균열의 기점으로 될 가능성이 있는 베이스부(2)의 표층 영역에, 높은 인성을 더욱 확실하게 부여할 수 있다. 본 실시형태에서는, 베이스부 접합 영역(24)의 두께는, 피스톤 슈(1)의 표면(1A)에 가까워짐에 따라 서서히 크게 되어 있다.
또한, 슬라이딩부(3)에는, 베이스부(2)에 접합되는 면인 슬라이딩부 접합면(32)을 포함하도록, 슬라이딩부(3)의 다른 영역에 비해 경도가 낮은 슬라이딩부 접합 영역(34)이 형성되어 있어도 된다. 이로써, 슬라이딩부(3)와 베이스부(2)와의 접합부에서의 변형을 완화할 수 있다.
이 슬라이딩부 접합 영역(34)의, 슬라이딩부 접합면(32)에 수직인 방향에서의 두께는 0.2㎜ 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이, 슬라이딩부 접합 영역(34)의 두께를 필요 이상으로 크게 하지 않는 것에 의해, 슬라이딩부(3)에 충분한 강도를 부여할 수 있다.
또한, 슬라이딩부(3)를 구성하는 고력 황동은, 매트릭스에 비해 높은 경도를 가지는 석출물을 포함하고, 슬라이딩부 접합 영역(34) 내의 석출물의 크기는, 슬라이딩부(3)의 다른 영역의 석출물의 크기와 비교하여 작아져 있어도 된다. 이로써, 접합부 근방의 슬라이딩부의 인성을 향상시킬 수 있다.
또한, 슬라이딩부 접합 영역(34) 내의 슬라이딩부 접합면(32)에 접하는 영역에, 상기 석출물이 집합된 석출물 집합부가 형성되어 있어도 된다. 슬라이딩부 접합면(32) 근방에 미세한 석출물의 집합부를 형성함으로써, 인성을 대폭 저하시키지 않고, 슬라이딩부 접합면(32) 근방의 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 슬라이딩부 접합 영역(34)은, 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많게 되어 있어도 된다. 이로써, 접합부 근방의 슬라이딩부(3)의 인성을 향상시킬 수 있다.
다음에, 상기 피스톤 슈(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 3은, 피스톤 슈의 제조 방법의 개략을 나타낸 플로우차트이다. 또한, 도 4는, 피스톤 슈의 제조 장치의 구조를 나타낸 개략도이다. 또한, 도 5는, 피스톤 슈의 제조 장치의 동작을 나타낸 개략 단면도이다. 또한, 도 6은, 피스톤 슈의 제조 장치에 포함되는 구속 지그의 구조를 나타낸 개략 평면도이다.
도 3을 참조하여, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에서는, 먼저 단계(S10)에서 성형 부재 준비 단계가 실시된다. 이 단계(S10)에서는, 도 5를 참조하여, 조질(thermal refining) 처리된 기계 구조용 합금강으로 이루어지는 베이스 부재(4)와, 고력 황동으로 이루어지는 원반 형상의 슬라이딩 부재(5)가 준비된다. 베이스 부재(4)는, 원반형의 형상을 가지는 원반부(4B)와, 원반부(4B)에 접속되고, 외경(外徑)이 원반부보다 작은 원통부(4C)를 구비하고 있다. 원반부(4B)의 원통부(4C)와는 반대측의 단부에는, 슬라이딩 부재(5)에 접합될 평탄면인 베이스 부재 접촉면(4A)이 형성되어 있다. 또한, 슬라이딩 부재(5)의 한쪽의 주표면은, 베이스 부재(4)에 접합될 평탄면인 슬라이딩 부재 접촉면(5A)으로 되어 있다.
다음에, 단계(S20)에서 세정 단계가 실시된다. 이 단계(S20)에서는, 단계(S10)에 있어서 준비된 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)가 세정된다. 보다 구체적으로는, 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)가, 메탄올, 에탄올, 아세톤 등의 액체를 사용하여 세정된다. 이로써, 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)를 준비하기 위한 절단, 가공 등의 프로세스에 있어서 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)에 부착된 이물질 등이 제거된다. 그리고, 본 실시형태의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에서는, 슬라이딩 부재 접촉면(5A)에 대한 정밀한 마무리 가공(fine―processing)은 생략하는 것이 가능하며, 예를 들면, 슬라이딩 부재 접촉면(5A)은 절단의 상태라도 된다.
다음에, 도 3을 참조하여, 폐색 마찰 접합 단계가 실시된다. 이 폐색 마찰 접합 단계는, 접합 준비 단계, 마찰 단계 및 냉각 단계를 포함하고 있다. 여기서, 폐색 마찰 접합을 행하는 것으로 피스톤 슈를 제조하는 피스톤 슈(슬라이딩 부품)의 제조 장치에 대하여 설명한다.
도 4를 참조하여, 피스톤 슈의 제조 장치인 폐색 마찰 접합 장치(9)는, 축 α 주위로 회전 가능한 주축(95)과, 주축(95)에 대하여 축 α 방향으로 간격을 두고 배치된 기대부(98)와, 주축(95)과 기대부(98)와의 간격을 조정하는 간격 조정부(97)와, 주축(95) 및 기대부(98)를 지지하는 프레임(90)을 구비하고 있다.
주축(95)에는, 기대부(98)에 대향하도록 베이스 부재(4)를 유지하는 제1 유지부로서의 척(chuck)(94)이 설치되어 있다. 또한, 주축(95)에는, 주축(95)을 축 α 주위로 회전 구동시키는 주축 모터(95B)가 접속되어 있다. 또한, 주축(95)에는, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중을 검지하는 하중 센서(96)가 설치되어 있다. 이 하중 센서(96)는, 척(94)에 가해지는 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉의 반력(反力)의 크기로부터, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중을 검지한다. 하중 센서(96)는, 폐색 마찰 접합 장치(9)에 있어서 필수적인 구성은 아니지만, 이것을 설치함으로써, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중을 적절한 범위로 조정하는 것이 용이해진다.
한편, 기대부(98)에는, 척(94)에 대향하도록 슬라이딩 부재(5)를 유지하는 제2 유지부로서의 구속 지그(93)가 설치되어 있다. 보다 구체적으로는, 도 4 및 도 5를 참조하여, 기대부(98)는, 베이스체(91)와, 지그 홀더(92)와, 구속 지그(93)를 포함하고 있다. 베이스체(91)는, 프레임(90) 상에 설치되어 있다. 지그 홀더(92)는, 베이스체(91) 상에 고정되어 있다. 구속 지그(93)는, 지그 홀더(92)에 형성된 오목부인 지그 유지부(92A)에 끼워넣어져 고정되어 있다. 구속 지그(93)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 2개의 부품(99, 99)으로 분리할 수 있다. 또한, 구속 지그(93)의 슬라이딩 부재(5)를 유지하는 영역인 유지부(93A)는, 평면적으로 볼 때(축 α에 따른 방향에서 볼 때), 원반 형상을 가지는 슬라이딩 부재(5)의 외주면(外周面)에 외접(外接)하는 다각형 형상, 구체적으로는 육각형 형상을 가지고 있다.
도 4를 참조하여, 프레임(90) 내에는, 축 α에 대하여 평행하게 연장되는 샤프트(90A)가 설치되어 있다. 이 샤프트(90A)는, 주축(95)을 지지하는 주축 지지부(90C)를 샤프트(90A)의 연장 방향을 따라 이동 가능하게 지지하고 있다. 또한, 샤프트(90A)에는, 샤프트(90A)를 구동하는 주축 이동 모터(90B)가 접속되어 있다. 샤프트(90A)가 주축 이동 모터(90B)에 의해 구동되는 것에 의해, 주축 지지부(90C)에 의해 지지되는 주축(95)이 축 α 방향으로 이동한다. 이로써, 주축(95)과 기대부(98)와의 간격을 조정할 수 있다. 샤프트(90A), 주축 지지부(90C) 및 주축 이동 모터(90B)는, 간격 조정부(97)를 구성한다.
그리고, 간격 조정부(97)에 의해 주축(95)과 기대부(98)와의 간격을 조정하여 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)를 접촉시킨 상태(도 5 상태)에 있어서, 제2 유지부로서의 구속 지그(93)가, 슬라이딩 부재(5)의 베이스 부재(4)에 접촉하는 면인 슬라이딩 부재 접촉면(5A)의 외주를 에워싸도록, 척(94) 및 구속 지그(93)가 배치되어 있다. 다른 관점에서 설명하면, 도 5를 참조하여, 축 α 방향에서의 구속 지그(93)의 유지부(93A)의 높이는, 슬라이딩 부재(5)의 두께보다 크다.
다음에, 폐색 마찰 접합 단계의 구체적인 수순을 설명한다. 도 7은, 폐색 마찰 접합 단계에서의 주축(95)의 회전수, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중(가압 하중), 및 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접합부의 온도의 시간 경과적 변화를 나타낸 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하여, 단계(S30)에서 실시되는 접합 준비 단계에서는, 베이스 부재(4)가 원통부(4C)의 외주면에 있어서 척(94)에 유지되고, 또한 슬라이딩 부재(5)가 구속 지그(93)의 유지부(93A)에 세팅된다. 이 때, 베이스 부재 접촉면(4A)과 슬라이딩 부재 접촉면(5A)이 대향하고, 또한 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)의 중심축이 척(94)의 회전축 α에 일치하도록, 베이스 부재(4) 및 슬라이딩 부재(5)는 배치된다.
다음에, 단계(S40)에서 마찰 단계가 실시된다. 이 단계(S40)에서는, 주축(95)이 주축 모터(95B)에 의해 구동되어 축 α 주위로 회전하는 동시에, 주축 이동 모터(90B)에 의해 구동되어 기대부(98)에 가까워진다. 이로써, 척(94)이 축 α 주위로 회전하면서, 구속 지그(93)에 가까워진다. 이 때, 도 7을 참조하여, 시각(S0)에 있어서 회전을 개시한 주축(95)의 회전수는, 시각(S1)에 원하는 회전수에 도달하고, 그 후 상기 회전수가 유지된다. 또한, 시각(S2)에는 도 5에 나타낸 바와 같이, 베이스 부재 접촉면(4A)과 슬라이딩 부재 접촉면(5A)이 접촉한다. 이로써, 베이스 부재(4)는, 슬라이딩 부재(5)에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고, 슬라이딩 부재(5)에 대하여 하중(L)에 의해 가압되면서 상대적으로 회전한다. 그 결과, 도 7에 나타낸 바와 같이, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부(접합부)의 온도가 마찰열에 의해 상승한다. 그리고, 시각(S3)에는, 하중 센서(96)에 의해 검지되는 가압 하중[베이스 부재 접촉면(4A)과 슬라이딩 부재 접촉면(5A)과의 접촉 하중]이 원하는 크기에 도달하고, 그 후 상기 가압 하중이 유지된다. 이 동안, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부의 온도는 상승을 계속한다.
그리고, 시각(S4)에는, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부의 온도는 A1 변태점 이상에서 있어서 고상선(固相線) 온도 미만에까지 상승한다. 그 결과, 베이스 부재(4) 중 베이스 부재 접촉면(4A)을 포함하는 영역은 A1 변태점 이상 고상선 온도 미만의 온도로 가열되고, 상기 영역을 구성하는 강은 액상(液相)을 포함하지 않는 오스테나이트 상태로 된다.
한편, 가열된 슬라이딩 부재(5)는 연화되어, 슬라이딩 부재(5)와 구속 지그(93)와의 간극(93B)을 충전하도록 변형된다(도 6 참조). 그 결과, 베이스 부재(4)가 축 α 주위로 회전해도, 슬라이딩 부재(5)는 그에 따라서 회전하지 않는다.
다음에, 단계(S50)에서 냉각 단계가 실시된다. 이 단계(S50)에서는, 먼저 주축(95)의 회전수를 저하시키고, 시각(S5)에는 그 회전을 정지한다. 그 후, 하중 센서(96)에 의해 검지되는 가압 하중을 저하시킨다. 이 사이, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와는 서로 가압되어 맞는 상태를 유지하면서, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉부는 냉각된다. 이로써, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)가 접합된다. 그리고, 시각(S6)에는, 가압 하중이 0로 되고, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)가 접합되어 구성되는 구조체가 폐색 마찰 접합 장치(9)로부터 인출된다.
여기서, 베이스 부재(4) 중, 단계(S40)에 있어서 A1 변태점 이상의 온도까지 가열된 베이스 부재 접촉면(4A)을 포함하는 영역은, 단계(S50)에서 A1 변태점 미만의 온도로 냉각된다. 이와 같이, 일단 A1 변태점 이상의 온도로 가열된 후, A1 변태점 미만의 온도로 냉각된 상기 영역의 결정 입자는 미세화된다. 그 결과, 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역(24)(도 2 참조)이 형성된다. 이상의 수순에 따라, 폐색 마찰 접합 단계가 완료된다.
다음에, 단계(S60)에서, 기계 가공 단계가 실시된다. 이 단계(S60)에서는, 단계(S50)에 있어서 얻어진 구조체에 대하여 기계 가공이 실시된다. 구체적으로는, 도 1을 참조하여, 슬라이딩 부재(5)의 외주면이 가공되는 것에 의해 원반형의 슬라이딩부(3)가 형성된다. 또한, 베이스 부재(4)의 원통부가 가공되는 것에 의해, 구형부(21)가 형성된다. 또한, 센터홀(29), 평탄부(21A) 및 홈(31A)도, 이 단계에서 형성된다.
다음에, 단계(S70)에서 가스 연질화(軟窒化) 단계가 실시된다. 이 단계(S70)에서는, 도 1을 참조하여, 단계(S60)에 있어서 형성된 구형부(21)가, 별도 준비된 피스톤 본체에 형성된 구면형의 내벽을 가지는 유지부(도시하지 않음)에 끼워넣어진 것에 더하여, 가스 연질화 처리가 실시된다. 구체적으로는, 암모니아 가스를 포함하는 분위기 중에서 A1 변태점 미만의 온도로 가열되는 것에 의해, 베이스 부재(4)[베이스부(2)] 및 피스톤 본체(도시하지 않음)의 표층부에 질화층이 형성된다. 또한, 이 때, 가스 연질화 처리를 위한 가열에 의해, 슬라이딩 부재(5)의 슬라이딩 부재 접촉면(5A)에 접하는 슬라이딩 부재(5) 내의 영역에, 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많은 영역이 형성된다. 이로써, 도 2를 참조하여, 슬라이딩부 접합 영역(34)은, 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많아진다.
다음에, 단계(S80)에서 마무리 단계가 실시된다. 이 단계에서는, 단계(S70)에 있어서 가스 연질화 처리가 실시된 베이스 부재(4), 슬라이딩 부재(5) 및 피스톤 본체(도시하지 않음)에 대하여, 필요에 따라 마무리 처리가 실시된다. 이상의 수순에 따라, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)가, 피스톤 본체와 조합된 상태로 완성된다.
이와 같이, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈의 제조 방법에 의하면, 상기 본 실시형태의 피스톤 슈(1)를 제조할 수 있다. 여기서, 단계(S40)에서 실시되는 마찰 단계는, 예를 들면, 베이스 부재(4)를 슬라이딩 부재(5)에 대하여 상대적으로 왕복시킴으로써 실시할 수도 있지만, 베이스 부재(4)가, 슬라이딩 부재(5)에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고 회전함으로써, 슬라이딩 부재(5)와 베이스 부재(4)를 원하는 위치 관계로 접합하는 것이 용이해진다.
또한, 도 6을 참조하여, 단계(S40)에서 베이스 부재(4)가, 슬라이딩 부재에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고 회전함으로써, 베이스 부재(4)의 슬라이딩 부재(5)에 대한 주속(周速)은, 축 α로부터 멀어짐에 따라 빨라진다. 그러므로, 마찰에 의한 발열은, 베이스 부재(4)의 외주측에 있어서 커진다. 그 결과, 베이스 부재(4) 중 마찰열에 의해 A1 변태점을 초과하는 영역의 두께는 베이스 부재(4)의 외주측에 있어서 커진다. 이로써, 도 2를 참조하여, 다른 영역에 비해 결정 입자의 크기가 작은 베이스부 접합 영역(24)의 두께를, 내부와 비교하여 외주측, 즉 피스톤 슈(1)의 표면(1A)을 포함하는 영역에 있어서 크게 할 수 있다. 또한, 도 6을 참조하여, 상기 본 실시형태에 있어서의 베이스 부재(4)의 원통부(4C)의 외경은, 원반부(4B)에 비해 작아지게 되어 있다. 이로써, 베이스 부재 접촉면(4A)의 외주부에 있어서 발생한 마찰열은, 원통부(4C)로 쉽게 전해지지 않도록 되어 있다. 그 결과, 베이스 부재(4) 중 마찰열에 의해 A1 변태점을 초과하는 영역의 두께는, 베이스 부재(4)의 외주측에 있어서 한층 커진다. 그러므로, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에 의하면, 베이스부 접합 영역(24)의 두께를, 내부와 비교하여 외주측, 즉 피스톤 슈(1)의 표면(1A)을 포함하는 영역에 있어서 크게 하는 것이 용이하게 되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 피스톤 슈(1)의 제조 방법에서는, 도 5를 참조하여, 축 α 방향에서의 유지부(93A)의 높이는, 슬라이딩 부재(5)의 두께보다 크게 되어 있다. 그 결과, 단계(S40) 및 (S50)에 있어서, 슬라이딩 부재 접촉면(5A)의 외주측에 있어서 슬라이딩 부재(5)가 구속된 상태가 유지된다. 이로써, 연화된 슬라이딩 부재(5)의 변형량을 억제할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제조되는 피스톤 슈(1)에 있어서, 슬라이딩 부재(5)의 변형에 의해 형성되는 슬라이딩부 접합 영역(34)의, 슬라이딩부 접합면(32)에 수직인 방향에서의 두께를 0.2㎜ 이하로 할 수 있다. 그 결과, 접합 후의 기계 가공에서의 가공량이 저감되므로, 슬라이딩 부재(5)의 재료의 수율이 향상된다. 또한, 슬라이딩 부재(5)의 두께가 작을 경우라도, 슬라이딩 부재(5)에 있어서 소성 변형된 영역이 피스톤 슈(1)의 슬라이딩 면(31)에 노출되는 것이 억제되어, 슬라이딩부(3)의 슬라이딩 특성이 안정된다. 또한, 경도가 낮은 슬라이딩부 접합 영역(34)의 두께를 필요 이상으로 크게 하지 않는 것에 의해, 슬라이딩부(3)에 충분한 강도를 부여할 수 있다.
여기서, 도 6을 참조하여, 연화된 슬라이딩 부재(5)는, 슬라이딩 부재(5)와 구속 지그(93)와의 간극(93B)을 충전하도록 변형된다. 그러므로, 간극(93B)을 적절한 크기로 조정하여, 슬라이딩 부재(5)의 변형량을 억제할 수 있다.
그리고, 상기 실시형태에 있어서는, 슬라이딩 부재가 고정되고, 베이스 부재가 운동(회전)하는 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 방법은 이에 한정되지 않고, 베이스 부재가 고정되어 슬라이딩 부재가 운동(회전) 해도 되고, 양쪽이 운동(회전)하는 것으로 한쪽이 다른 쪽에 대하여 상대적으로 미끄러지는 것이라도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 폐색 마찰 접합 장치(9)(슬라이딩 부품의 제조 장치)로서, 주축이 축 방향으로 이동 가능한 구조에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 슬라이딩 부품의 제조 장치는 이에 한정되지 않고, 기대부가 축 방향으로 이동 가능한 것이라도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 구속 지그(93)의 유지부(93A)의 형상이 평면적으로 볼 때(축 α에 따른 방향에서 볼 때) 육각형 형상인 경우에 대하여 설명하였으나, 채용 가능한 구속 지그는 이에 한정되지 않고, 유지부의 형상은 다른 다각형(예를 들면, 8각 형태 등)이라도 되고, 슬라이딩 부재(5)보다 약간 큰 직경을 가지는 원형이라도 된다.
또한, 상기 실시형태에 있어서는, 피스톤 슈를 슬라이딩 부품의 일례로서 설명하였으나, 본 발명의 슬라이딩 부품은 이에 한정되지 않고, 강 또는 주철로 이루어지는 베이스부와 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩부가 접합되어 구성되는 각종 슬라이딩 부품에 적용할 수 있다. 또한, 상기 실시형태에서는, 베이스 부재(베이스부)가 강으로 이루어지는 경우에 대하여 설명하였으나, 베이스 부재(베이스부)는 주철로 이루어지는 것이라도 된다.
실시예
(실시예 1)
상기 실시형태와 마찬가지의 형상을 가지는 베이스 부재 및 슬라이딩 부재를 준비하고(도 5 참조), 상기 실시형태에 있어서 피스톤 본체와의 결합을 생략한 수순을 실시하고, 베이스 부재와 슬라이딩 부재가 폐색 마찰 접합에 의해 접합된 시험편(피스톤 슈)을 제작하였다. 그리고, 상기 시험편의 조직 및 경도를 측정하는 실험을 행하였다. 실험 결과는 다음과 같다.
도 8은, 베이스부(2)(강)와 슬라이딩부(3)(고력 황동)와의 접합부 부근의 금속 조직을 나타낸 사진이다. 보다 구체적으로는, 도 8은, 얻어진 시험편을 접합면에 수직인 단면에서 절단하고, 염화 제2철 용액에 의해 에칭한 상태를 나타내고 있다. 또한, 도 9는, 도 8의 A-1∼A-4, B-1∼4, C-1∼4 및 D-1∼D4를 확대하여 나타내는 광학 현미경 사진이다. 도 9의 각 사진의 우측 상부의 수치는, 각 사진 내의 결정 입자 직경(단위: ㎛)을 나타내고 있다.
도 8을 참조하여, 베이스부(2)와 슬라이딩부(3)는 전역(全域)에 걸쳐서 양호하게 접합되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 베이스부(2)의, 접합 계면을 따른 영역에는, 진하게 에칭된 농색(濃色) 영역이 존재하고 있다.
도 9를 참조하여, 이 농색 영역에 대응하는 A-3, B-3, C-3 및 D-3의 각 영역의 결정 입자 직경은, 농색 영역 밖에 대응하는 A-4, B-4, C-4 및 D-4에 비해 결정 입자 직경이 작아지게 되어 있다.
이로부터, 상기 실시형태와 마찬가지의 방법에 의해 제조된 피스톤 슈에는, 베이스부 접합면을 포함하도록, 베이스부의 다른 영역에 비해 결정 입자가 작은 베이스부 접합 영역이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 베이스부 접합 영역(농색 영역)의 접합면에 수직인 방향에서의 두께는, 슬라이딩 부품인 피스톤 슈의 내부와 비교하여 표면을 포함하는 영역에 있어서 크게 되어 있는 것을 확인할 수 있다(도 8 상부의 사진 참조).
또한, 도 8의 A, B, C 및 D의 각 영역의 경도를, 접합 계면에 수직인 방향으로 측정하였다. 측정 결과를 도 10에 나타낸다. 도 10에 있어서, 가로축은 접합 계면으로부터의 거리를 나타내고, 가로축의 값이 0인 점이 접합 계면이다. 또한, 도 10에 있어서 가로축의 값이 마이너스의 영역은 베이스부(2)(강), 플러스의 영역은 슬라이딩부(3)(고력 황동)에 대응한다. 도 10을 참조하여, 경도는 접합 계면을 경계로 하여 불연속으로 되어 있다. 이로부터, 베이스부(2)를 구성하는 강과 슬라이딩부(3)를 구성하는 고력 황동이란, 다른 물질이 개재(介在)되지 않고, 직접 양호하게 접합되어 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 11은, 슬라이딩부(3)의 접합 계면 근방의 경도 분포를 나타내고 있다. 도 11을 참조하여, 접합 계면으로부터의 거리가 100㎛ 이내의 영역에서는, 접합 계면에 가까워짐에 따라 경도가 저하되어 있다. 즉, 도 11의 측정 결과로부터, 슬라이딩부에는, 슬라이딩부 접합면을 포함하도록, 슬라이딩부의 다른 영역에 비해 경도가 낮은 슬라이딩부 접합 영역이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이 저경도 영역인 슬라이딩부 접합 영역과 금속 조직과의 대응에 대해서는, 이하에 설명한다.
도 12는, 구리 합금의 조직을 설명하기 위한 광학 현미경 사진이다. 또한, 도 13은, 도 8의 영역 A-1∼A2, B-1∼B2, C-1∼C2 및 D-1∼D2, 즉 슬라이딩부를 구성하는 고력 황동의 금속 조직을 나타내는 광학 현미경 사진이다. 도 12를 참조하여, 슬라이딩부를 구성하는 고력 황동은, 매트릭스를 구성하는 α상(71) 및 β상(72)과, 매트릭스보다 높은 경도를 가지는 석출물(73)을 포함하고 있다. 그리고, 도 13을 참조하여, 슬라이딩부 접합 영역 내(A-2, B-2, C-2 및 D-2의 접합 계면 근방)의 석출물의 크기는, 슬라이딩부의 다른 영역(예를 들면, A-1, B-1, C-1 및 D-1)의 석출물의 크기와 비교하여 작아지게 되어 있는 것을 알 수 있다. 즉, 저경도 영역인 슬라이딩부 접합 영역은, 석출물의 크기의 작은 영역에 대응한다. 또한, 도 13으로부터 명백한 바와 같이, 슬라이딩부 접합 영역의 두께는 0.2㎜ 이하로 되어 있다.
또한, 도 13을 참조하여, 슬라이딩부 접합 영역 내의 슬라이딩부 접합면에 접하는 영역에, 석출물이 집합된 석출물 집합부(73A)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 13을 참조하여, 슬라이딩부 접합 영역(A-2, B-2, C-2 및 D-2의 접합 계면 근방)에는 β상을 거의 볼 수 없고, 상기 영역은 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많게 되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 슬라이딩부의 조직은, 다음과 같이 형성되는 것으로 생각된다.
도 14는, 피스톤 슈의 슬라이딩부 내에서의 석출물의 분포 상태를 나타낸 모식도이다. 상기 실시형태에 있어서 설명한 폐색 마찰 접합의 마찰 단계에서는, 베이스 부재(4)가 슬라이딩 부재(5)에 대하여 가압되면서 회전한다. 도 14를 참조하여, 고력 황동으로 이루어지는 슬라이딩 부재(5)의 내부에는, 대형 석출물(73B)과소형 석출물(73C)이 존재하고 있다. 마찰 단계 개시 전에 있어서는, 대형 석출물(73B)과 소형 석출물(73C)은 혼재하여 일정하게 분포되어 있다. 그리고, 마찰 단계의 초기에 있어서는, 마찰열에 의해 접촉면 근방이 가열된다.
그 후, 시간의 경과와 함께 슬라이딩부 접합 영역에 대응하는 슬라이딩 부재(5)의 접촉면 근방 영역(82)은, 마찰열에 의해 연화한다. 그 결과, 베이스 부재(4)와 슬라이딩 부재(5)와의 접촉 하중에 의해 접촉면 근방 영역(82)이 변형되기 시작한다. 그리고, 변형이 진행되는 과정에 있어서, 대형 석출물(73B)이 파괴되어, 소형 석출물(73C)로 된다. 이로써, 접촉면 근방 영역(82) 내의 대형 석출물(73B)이 감소되고, 소형 석출물(73C)의 비율이 많아진다. 이 때, 변형된 슬라이딩 부재(5)의 일부는, 소량의 버(burr)(59)로서 베이스 부재(4)의 외주면에 부착된다.
그리고, 또한 시간이 경과하면, 마찰열에 의해 연화된 접촉면 근방 영역(82)이 완전히 변형되고, 도 14에 나타낸 바와 같이, 변형된 접촉면 근방 영역(82) 내에 소형 석출물(73C)이 밀집한다. 그 결과, 슬라이딩부 접합 영역 내의 슬라이딩부 접합면에 접하는 영역(A-2, B-2, C-2 및 D-2의 접합 계면 근방)에, 미세한 석출물이 집합된 석출물 집합부(73A)가 형성되는 것으로 생각된다. 또한, 이와 같이, 소성 변형된 접촉면 근방 영역(82)이 연질화 단계에서 재가열되는 것에 의해, 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많은 슬라이딩부 접합 영역이 형성되는 것으로 생각된다.
(실시예 2)
본 실시형태와 마찬가지의 수순에 따라, 강(JIS 규격 SCM440H)으로 이루어지는 베이스 부재와 고력 황동으로 이루어지는 슬라이딩 부재를 폐색 마찰 접합에 의해 접합한 시험편을 준비하고, 전단 시험을 행함으로써 접합부의 강도를 확인하는 실험을 행하였다. 시험의 수순은 다음과 같다.
도 15는, 전단 강도 시험의 시험 방법을 설명하기 위한 개략 단면도이다. 도 15를 참조하고, 시험편(50)은, 강제(鋼製)의 베이스 부재(51)와 고력 황동제의 슬라이딩 부재(52)가 상기 실시형태와 마찬가지의 폐색 마찰 접합에 의해 접합된 구조를 가지고 있다. 전단 시험 장치(60)는, 시험편을 유지하는 오목부인 시험편 유지부(61A)를 가지는 본체부(61)와, 시험편(50)에 대하여 하중을 부가하는 하중 부여부(62)를 구비하고 있다. 시험편 유지부(61A)는, 베이스 부재(51)를 삽입함으로써, 슬라이딩 부재(52)만이 시험편 유지부(61A)로부터 돌출하는 형상을 가지고 있다. 그리고, 하중 부여부(62)를 화살표 γ의 방향으로 강하시킴으로써, 베이스 부재(51)와 슬라이딩 부재(52)와의 접합 계면을 따른 방향으로 하중을 가하는 것이 가능하게 되어 있다. 시험편은 2개 준비하고, 시험편이 파단(破斷)된 시점(時点)의 응력(전단 응력)을 산출한다(실시예 A 및 실시예 B). 또한, 비교를 위해, 베이스 부재(51)와 슬라이딩 부재(52)와의 사이에 압분체(壓粉體)를 협지(sandwich)하여 소결(燒結) 접합하여 얻어진 시험편도 준비하고, 마찬가지로 시험에 제공했다(비교예 A 및 비교예 B).
도 16은, 전단 강도 시험의 시험 결과를 나타낸 도면이다. 도 16을 참조하여, 종래의 피스톤 슈와 마찬가지의 구조를 가지는 비교예의 전단 강도가 25.2 kgf/㎟인 것에 대하여, 폐색 마찰 접합에 의해 제작한 실시예의 전단 강도는, 29.2∼34.4 kgf/㎟로 되어 있었다. 이 강도는, 종래품을 크게 상회하여, 모재(母材) 강도에 비해 손색이 없는 것이다. 이상의 실험 결과로부터, 본 발명의 슬라이딩 부재의 제조 방법에 의하면, 슬라이딩부가 베이스부에 대하여 견고하게 고정된 슬라이딩 부품을 제공할 수 있는 것이 확인되었다.
이번 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시로서, 제한적인 것이 아니라고 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에서가 아니고, 청구의 범위에 의해 나타낸 범위, 및 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경, 개량이 포함되는 것이 의도된다.
[산업 상의 이용 가능성]
본 발명의 슬라이딩 부품, 슬라이딩 부품의 제조 방법 및 슬라이딩 부품의 제조 장치는, 강 또는 주철로 이루어지는 베이스부와 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩부를 구비한 슬라이딩 부품 및 그 제조에, 특히 유리하게 적용될 수 있다.
1: 피스톤 슈, 1A: 표면, 2: 베이스부, 3: 슬라이딩부, 4: 베이스 부재, 4A: 베이스 부재 접촉면, 4B: 원반부, 4C: 원통부, 5: 슬라이딩 부재, 5A: 슬라이딩 부재 접촉면, 9: 폐색 마찰 접합 장치, 21: 구형부, 21A: 평탄부, 22: 원반부, 23: 베이스부 접합면, 24: 베이스부 접합 영역, 29: 센터홀, 29A: 제1 영역, 29B: 제2 영역, 29C: 제3 영역, 29D: 제4 영역, 31: 슬라이딩 면, 31A: 홈, 32: 슬라이딩부 접합면, 34: 슬라이딩부 접합 영역, 50: 시험편, 51: 베이스 부재, 52: 슬라이딩 부재, 59: 버, 60: 전단 시험 장치, 61: 본체부, 61A: 시험편 유지부, 62: 하중 부여부, 71: α상, 72: β상, 73: 석출물, 73A: 석출물 집합부, 73B: 대형 석출물, 73C: 소형 석출물, 82: 접촉면 근방 영역, 90: 프레임, 90A: 샤프트, 90B: 주축 이동 모터, 90C: 주축 지지부, 91: 베이스체, 92: 지그 홀더, 92A: 지그 유지부, 93: 구속 지그, 93A: 유지부, 93B: 간극, 94: 척, 95: 주축, 95B: 주축 모터, 96: 하중 센서, 97: 간격 조정부, 98: 기대부, 99: 부품.

Claims (15)

  1. 슬라이딩 면을 가지는 슬라이딩 부품(sliding component)으로서,
    강(鋼) 또는 주철(鑄鐵)로 이루어지는 베이스부(base section); 및
    상기 슬라이딩 면이 형성되고, 구리 합금으로 이루어지고, 상기 베이스부에 접합된 슬라이딩부;
    를 포함하고,
    상기 베이스부에, 상기 슬라이딩부에 접합되는 면인 베이스부 접합면을 포함하도록, 상기 베이스부의 다른 영역에 비해 결정(結晶) 입자가 작은 베이스부 접합 영역이 형성되면서, 상기 베이스부와 상기 슬라이딩부가 접합되어 있는,
    슬라이딩 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부 접합 영역의, 상기 베이스부 접합면에 수직인 방향에서의 두께는, 상기 슬라이딩 부품의 내부와 비교하여 표면을 포함하는 영역에 있어서 크게 되어 있는, 슬라이딩 부품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬라이딩부에는, 상기 베이스부에 접합되는 면인 슬라이딩부 접합면을 포함하도록, 상기 슬라이딩부의 다른 영역에 비해 경도(硬度)가 낮은 슬라이딩부 접합 영역이 형성되어 있는, 슬라이딩 부품.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 슬라이딩부 접합 영역의, 상기 슬라이딩부 접합면에 수직인 방향에서의 두께는 0.2㎜ 이하인, 슬라이딩 부품.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 구리 합금은 고력 황동(high-strength brass)인, 슬라이딩 부품.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 슬라이딩부를 구성하는 고력 황동은, 매트릭스에 비해 높은 경도를 가지는 석출물(析出物)을 포함하고,
    상기 슬라이딩부 접합 영역 내의 상기 석출물의 크기는, 상기 슬라이딩부의 다른 영역의 상기 석출물의 크기와 비교하여 작게 되어 있는, 슬라이딩 부품.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬라이딩부 접합 영역 내의 상기 슬라이딩부 접합면에 접하는 영역에, 상기 석출물이 집합된 석출물 집합부가 형성되어 있는, 슬라이딩 부품.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 슬라이딩부 접합 영역은, 상기 슬라이딩부의 다른 영역에 비해 α상(相)의 비율이 많게 되어 있는, 슬라이딩 부품.
  9. 강 또는 주철로 이루어지는 베이스 부재와, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩 부재를 준비하는 준비 단계;
    상기 베이스 부재를, 상기 슬라이딩 부재에 접촉시키면서 상대적으로 미끄러지게 함으로써 마찰열을 발생시키고, 상기 베이스 부재에 있어서 상기 슬라이딩 부재에 접촉하는 면인 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점(變態点) 이상의 온도로 가열하는 가열 단계; 및
    가열된 상기 베이스 부재와, 상기 슬라이딩 부재를 접촉시킨 상태로 유지함으로써 상기 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점 미만의 온도로 냉각시켜, 상기 베이스 부재와 상기 슬라이딩 부재를 접합하는 단계;
    를 포함하는 슬라이딩 부품의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점 이상의 온도로 가열하는 단계에서는, 상기 베이스 부재가, 상기 슬라이딩 부재에 대한 상대적인 위치를 변경시키지 않고, 상기 슬라이딩 부재에 대하여 가압되면서 상대적으로 회전하는, 슬라이딩 부품의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 베이스 부재 접촉면을 포함하는 영역을 A1 변태점 이상의 온도로 가열하는 단계, 및 상기 베이스 부재와 상기 슬라이딩 부재를 접합하는 단계에서는, 상기 슬라이딩 부재에 있어서 상기 베이스 부재에 접촉하는 면인 슬라이딩 부재 접촉면의 외주측에 있어서 상기 슬라이딩 부재가 구속(restrain)되는, 슬라이딩 부품의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구리 합금은 고력 황동인, 슬라이딩 부품의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베이스 부재와 상기 슬라이딩 부재가 접합된 상태로, 상기 슬라이딩 부재를 가열함으로써, 상기 슬라이딩 부재의 상기 슬라이딩 부재 접촉면에 접하는 상기 슬라이딩 부재 내의 영역에 다른 영역에 비해 α상의 비율이 많은 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는, 슬라이딩 부품의 제조 방법.
  14. 강 또는 주철로 이루어지는 베이스 부재와, 구리 합금으로 이루어지는 슬라이딩 부재를 접합함으로써 슬라이딩 부품을 제조하는 슬라이딩 부품의 제조 장치로서,
    축 주위로 회전 가능한 주축(主軸);
    상기 주축에 대하여 축 방향으로 간격을 두고 배치된 기대부(基臺部); 및
    상기 주축과 상기 기대부와의 간격을 조정하는 간격 조정부;
    를 포함하고,
    상기 주축에는, 상기 기대부에 대향하도록 상기 베이스 부재 또는 상기 슬라이딩 부재의 한쪽을 유지하는 제1 유지부가 형성되어 있고,
    상기 기대부에는, 상기 제1 유지부에 대향하도록 상기 베이스 부재 또는 상기 슬라이딩 부재의 다른 쪽을 유지하는 제2 유지부가 형성되어 있고,
    상기 간격 조정부에 의해 상기 주축과 상기 기대부와의 간격을 조정하여 상기 베이스 부재와 상기 슬라이딩 부재를 접촉시킨 상태에 있어서, 상기 슬라이딩 부재를 유지하는 상기 제1 유지부 또는 상기 제2 유지부가, 상기 슬라이딩 부재의 상기 베이스 부재에 접촉하는 면인 슬라이딩 부재 접촉면의 외주(外周)를 에워싸도록, 상기 제1 유지부 및 상기 제2 유지부가 배치되는,
    슬라이딩 부품의 제조 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 주축 및 상기 기대부 중 적어도 어느 한쪽에는, 상기 베이스 부재와 상기 슬라이딩 부재와의 접촉 하중을 검지하는 하중 센서가 설치되어 있는, 슬라이딩 부품의 제조 장치.
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